2016年門源Ms6.4地震孕震機(jī)制及構(gòu)造意義的研究現(xiàn)狀

殷 娜，鄧 淼，萬(wàn) 飛，賈建鵬，紀(jì)同娟， 程 昊

(1.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201；2.河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 三河 065201)

0 引言

2016年1月21日在青海門源縣境內(nèi)發(fā)生Ms6.4地震(以下簡(jiǎn)稱門源6.4級(jí)地震)，震中位置為37.68°N，101.62°E，震源深度為10 km(見第22頁(yè)圖1，圖中灰色矩形代表第25頁(yè)圖4中的構(gòu)造變形剖面位置)。此次地震發(fā)生在祁連山中東段廣義的海原斷裂帶北側(cè)，地震類型表現(xiàn)為逆沖型。

圖1 門源地震區(qū)構(gòu)造地貌簡(jiǎn)圖Fig.1 Tectonic geomorphology map of Menyuan earthquake area

祁連山主體受高原東北緣兩條大型邊界走滑斷裂(阿爾金斷裂和海原-祁連山斷裂)控制，發(fā)育一系列以擠壓逆沖為主兼具左旋走滑特征的活動(dòng)斷裂系[1](見第22頁(yè)圖2)。這些活動(dòng)斷裂系共同吸收轉(zhuǎn)化兩條邊界走滑斷裂因滑動(dòng)速率衰減、走向轉(zhuǎn)變所形成的走滑轉(zhuǎn)換和應(yīng)變分解[1-2]。在本次地震發(fā)育的祁連山中東段，受高原向北東方向擠壓作用的影響，其新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震活動(dòng)強(qiáng)烈，褶皺分布廣泛，發(fā)育高原邊界主控?cái)嗔选Ｔ钸B山斷裂，并形成由斷裂控制的三大地貌單元[2-4]；另外，祁連山中東段及其鄰區(qū)曾發(fā)生多次中強(qiáng)以上地震甚至大地震，如1888年景泰61/2級(jí)地震、1920年海原8.5級(jí)地震以及1927年古浪8級(jí)大震以及1954山丹71/4級(jí)地震及1986門源6.4級(jí)地震等(見圖2)。

諸多學(xué)者對(duì)2016年門源6.4級(jí)地震的震源特征、孕震機(jī)制和發(fā)震構(gòu)造等進(jìn)行探討，但仍存爭(zhēng)議。筆者擬在該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)特征、構(gòu)造轉(zhuǎn)換、地貌發(fā)育、歷史地震以及現(xiàn)代地震活動(dòng)性分析的基礎(chǔ)上，綜述2016年門源6.4級(jí)地震的孕震機(jī)制特征，同時(shí)從區(qū)域動(dòng)力學(xué)的大尺度特征探討其新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的意義，獲得其大震孕震機(jī)制和構(gòu)造意義的新認(rèn)識(shí)。

1 研究區(qū)斷裂活動(dòng)特征與構(gòu)造轉(zhuǎn)換

從區(qū)域構(gòu)造圖像上看，祁連山地區(qū)作為阿爾金斷裂與海原-祁連山斷裂這兩條邊界左旋走滑斷裂之間的構(gòu)造巖橋，正經(jīng)歷著強(qiáng)烈的構(gòu)造變形；巖橋內(nèi)部各次級(jí)斷裂、活動(dòng)褶皺分配、吸收、調(diào)整著兩條斷裂之間的應(yīng)變差異[1,5-6]。近年來(lái)，隨著具發(fā)震能力活動(dòng)層的大比例尺填圖及重要邊界斷裂的精細(xì)化研究，前人重新厘定了祁連山及其周邊地區(qū)活動(dòng)斷裂滑動(dòng)速率的定量數(shù)據(jù)。作為主控邊界斷裂之一的阿爾金斷裂，其滑動(dòng)速率一直存在較大爭(zhēng)議， Zhang P Z等通過(guò)定量分析河流階地?cái)噱e(cuò)地貌得到了阿爾金斷裂中段的滑動(dòng)速率約10 mm/a并向東逐漸遞減，到疏勒河口滑動(dòng)速率僅為1～2 mm/a，這與GPS觀測(cè)到的斷裂滑動(dòng)速率相吻合并得到廣泛認(rèn)可[7]。同時(shí)，Yu Z等基于探槽古地震和構(gòu)造地貌研究，認(rèn)為酒西盆地諸多NE走向的逆斷層和褶皺吸收了阿爾金斷裂的主要變形，寬灘山斷裂全新世以來(lái)的垂直滑動(dòng)速率約0.16 mm/a[8]。另一條邊界走滑斷裂海原-祁連山斷裂(又名廣義海原斷裂)

各段的滑動(dòng)速率，前人做了詳細(xì)的工作并得到精確的定量數(shù)據(jù)；如Li C Y等通過(guò)斷錯(cuò)地貌的精細(xì)測(cè)量得到海原斷裂平均滑動(dòng)速率為4.5±1.0 mm/a，這與GPS得到的4.3±1.5 mm/a相吻合[9]；劉百篪等通過(guò)活動(dòng)斷裂填圖得到全新世以來(lái)水平滑動(dòng)速率為3.54～3.84 mm/a，垂直滑動(dòng)速率為0.44 mm/a[10-11]；何文貴等得到冷龍嶺斷裂晚更新世和全新世以來(lái)的水平滑動(dòng)速率分別為4.3±0.7 mm/a 和3.9±0.36 mm/a[12-16]。

位于兩條邊界斷裂之間起轉(zhuǎn)換作用的斷裂，其滑動(dòng)速率近年來(lái)也逐漸定量化。Tapponnier通過(guò)對(duì)洪積扇的位錯(cuò)變形，測(cè)量得到榆木山北緣斷裂平均逆沖速率為0.4～1.9 mm/a[17]；Hetzel等通過(guò)地貌面測(cè)量以及宇宙成因核素年代，獲得榆木山東緣斷裂的逆沖速率為0.64±0.8 mm/a到0.88±0.16 mm/a[18-19]；羅浩等得到昌馬斷裂不同分段上的左旋走滑速率分別為1.33±0.39 mm/a、3.11±0.31 mm/a與3.68±0.41 mm/a[20]。正是上述活動(dòng)斷裂不同的變形方式和滑動(dòng)速率等構(gòu)成了祁連山構(gòu)造變形的總體圖像，并吸收、轉(zhuǎn)化、調(diào)整著兩條邊界走滑斷裂之間的構(gòu)造差異。

關(guān)于祁連山地區(qū)的構(gòu)造變形，Wang E認(rèn)為受左旋走滑的阿爾金斷裂與右旋走滑的溫泉斷裂(又稱鄂拉山斷裂)，所加持的擁有剛性基底的柴達(dá)木盆地向祁連山內(nèi)部的楔入，使得祁連山內(nèi)部發(fā)育多條次級(jí)以逆沖活動(dòng)為主的斷裂，柴達(dá)木地塊的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)不僅形成阿爾金斷裂與溫泉斷裂之間的走滑速率差，也使得祁連山內(nèi)部斷裂多具左旋走滑特征[21]；袁道陽(yáng)等根據(jù)分析該區(qū)晚第四紀(jì)活動(dòng)斷裂幾何分布圖像認(rèn)為，作為左旋右階區(qū)的巨大巖橋，祁連山地區(qū)在通過(guò)區(qū)內(nèi)原有斷裂吸收調(diào)節(jié)兩條邊界走滑斷裂滑移量的同時(shí)，也形成一系列以逆沖推覆為主兼具左旋滑移量的活動(dòng)構(gòu)造帶[1]。Zheng W J等利用GPS觀測(cè)結(jié)果，認(rèn)為祁連山西段內(nèi)部斷裂系(如昌馬斷裂、祁連山北緣斷裂)調(diào)節(jié)吸收了阿爾金斷裂絕大部分的左旋滑移分量，并將之轉(zhuǎn)換為自身逆沖分量[22]，而向東表現(xiàn)為逆沖分量逐漸增加的特征[11]，到海原-祁連山斷裂，其吸收了阿爾金斷裂通過(guò)祁連山內(nèi)部斷裂系所傳遞過(guò)來(lái)的滑移速率[8]，將之轉(zhuǎn)換為六盤山、馬東山兩側(cè)新生代盆地的變形以及山脈向東的逆沖作用[23-25]。

2 區(qū)域地貌特征

祁連山地區(qū)普遍存在兩級(jí)夷平面(包括山頂面和主夷平面)、一級(jí)剝蝕面及多級(jí)河流階地[26]，不同級(jí)別、不同期次的面狀構(gòu)造揭示青藏高原(或者祁連山地區(qū))多次強(qiáng)隆升事件[27]；前人通過(guò)野外勘察及室內(nèi)航片判讀發(fā)現(xiàn)，祁連山西段的主夷平面略高于東段[26]，可能預(yù)示西段的隆升強(qiáng)度相比東段較大；近期，有學(xué)者在祁連山北翼開展河流地貌參數(shù)研究工作，結(jié)果證實(shí)東段巖體抬升速率小于中、西段的假設(shè)[3, 27]。

在本次發(fā)震地點(diǎn)的祁連山中東段，宏觀地貌受構(gòu)造活動(dòng)影響明顯。Hu X F,Pan B T等[28-29]通過(guò)實(shí)測(cè)祁連山東段北翼各河流的階地分布、拔河高度及年代數(shù)據(jù)并整合前人已有測(cè)年數(shù)據(jù)，得到各河流自上而下的下切速率，結(jié)果顯示高山區(qū)(High mountain range)擁有較大的河流下切速率，低山區(qū)(Lower mountain range)河流下切速率明顯較低，在整合各影響因素的基礎(chǔ)上，認(rèn)為不同逆沖斷裂的差異性活動(dòng)是造成祁連山東段地貌分區(qū)的主要原因，而這些逆沖斷裂的構(gòu)造變形受控于山脈頂部走滑斷裂的活動(dòng)影響；Pan B T等據(jù)此將祁連山東段劃分為三大地貌單元：高山帶(3 200～4 500 m)、低山帶(2 200～3 100 m)及走廊平原帶(<1 800 m)，地貌分區(qū)界限為區(qū)內(nèi)主干活動(dòng)斷裂[29]。

3 門源6.4級(jí)地震基本特征與相關(guān)斷裂的活動(dòng)特征

該地震的宏觀震中位于廣義的海原斷裂帶北側(cè)，通過(guò)震后的矩張量反演結(jié)果顯示為逆沖型，而地震動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果及中國(guó)地震局公布的地震烈度圖長(zhǎng)軸均表現(xiàn)為NW-SE向，與震源區(qū)各斷裂活動(dòng)方式、展布方向一致，說(shuō)明本次地震與該區(qū)斷裂的活動(dòng)密切相關(guān)。

此次宏觀震中曾于1986年發(fā)生Ms6.4地震，之后短期內(nèi)連續(xù)發(fā)生Ms5.0、Ms5.7、Ms4.5三次中強(qiáng)余震。通過(guò)分析震源機(jī)制解發(fā)現(xiàn)，這四次地震均源于具有較大傾滑分量的正斷層活動(dòng)，這也證實(shí)了1986年門源6.4級(jí)地震造成的極震區(qū)張性破裂帶[30-31]。震后調(diào)查及區(qū)域形變背景分析認(rèn)為，1986年門源6.4級(jí)地震的發(fā)震斷裂是冷龍嶺斷裂[31]。何文貴等[12-16]發(fā)現(xiàn)冷龍嶺斷裂中、東段第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為正走滑斷層的活動(dòng)性質(zhì)，并沿?cái)嗔研纬啥嗉?jí)反向陡坎，證實(shí)冷龍嶺斷裂是1986年門源6.4級(jí)地震的發(fā)震斷裂。

此次研究的門源地震屬于擠壓逆沖型破裂，應(yīng)與第四紀(jì)以來(lái)表現(xiàn)為伸展變形的冷龍嶺斷裂無(wú)關(guān)，其發(fā)震斷裂很可能是香山-天景山-天橋溝-黃羊川-冷龍嶺斷裂帶西段(由民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂、皇城-雙塔斷裂等組成)。

4 祁連山地區(qū)地震活動(dòng)特點(diǎn)

5 區(qū)域孕震環(huán)境研究現(xiàn)狀及新認(rèn)識(shí)

從祁連山地區(qū)活動(dòng)斷裂的幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)圖像看出，祁連山地區(qū)整體處于阿爾金斷裂與海原-祁連山斷裂兩條大型左旋走滑斷裂的右階巖橋區(qū)，區(qū)內(nèi)斷裂在繼承原有構(gòu)造特性的基礎(chǔ)上，形成以擠壓逆沖為主兼具走滑特征的活動(dòng)斷裂帶，整體上構(gòu)成一個(gè)擠壓推覆構(gòu)造區(qū)[1-2, 21]；區(qū)內(nèi)斷裂在繼承、吸收、傳遞兩條邊界走滑斷裂運(yùn)動(dòng)分量的過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。無(wú)論是斷裂的實(shí)地調(diào)查[8, 10, 36]，還是GPS觀測(cè)結(jié)果[6, 22,41]，均顯示出從祁連山西段到東段各次級(jí)斷裂逆沖分量依次減少而走滑分量依次增加。袁道陽(yáng)等研究認(rèn)為高原東北緣的柴達(dá)木-祁連活動(dòng)地塊受區(qū)域NE向構(gòu)造應(yīng)力作用，同時(shí)遭受來(lái)自塔里木板塊(西)、阿拉善地塊(北)以及鄂爾多斯剛性塊體(東)的阻擋，發(fā)生NE向的擠壓縮短、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)以及向SEE方向的擠出[1]；現(xiàn)代GPS觀測(cè)同樣揭示了這一現(xiàn)象，在相對(duì)于穩(wěn)定的歐亞板塊的基礎(chǔ)上，祁連山西段的GPS速率大致垂直于山體展布，向東其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，出現(xiàn)GPS速率與山脈小角度相交甚至于平行的情況[7]；另外，橫跨祁連山不同部位的GPS速率剖面均顯示出不同程度的速率衰減[22]，顯示出祁連山內(nèi)部的地殼縮短、增厚以及物質(zhì)的向東流動(dòng)；祁連山北翼河流階地的變形揭示，祁連山地區(qū)的地殼縮短很有可能是通過(guò)各次級(jí)斷裂的逆沖活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)[27, 42]。本次門源地震就屬于該區(qū)域孕震環(huán)境下的產(chǎn)物。

從目前青藏高原主要的變形系統(tǒng)可知，發(fā)生于新生代早期的印度板塊與歐亞大陸的拼合碰撞及其后的楔入作用，是高原東北緣隆升變形的主要?jiǎng)恿?lái)源[43-48]。無(wú)論在碰撞初期，應(yīng)力是否已經(jīng)傳遞到了目前高原北部[46-47]，祁連山作為高原向北擴(kuò)展隆升的前緣部位已是不爭(zhēng)的事實(shí)。在喜馬拉雅地區(qū)吸收印-歐碰撞超過(guò)40%變形的基礎(chǔ)上，剩余量通過(guò)高原各大次級(jí)塊體及其之間的縫合帶向北傳遞[45]，到高原北部祁連山地區(qū)后，主壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)镹E向，與祁連山北緣大斷裂主壓應(yīng)力軸一致。地球物理學(xué)研究也表明，祁連山-河西走廊地區(qū)存在阿拉善地塊向高原之下的俯沖[48]，而阿拉善作為一個(gè)穩(wěn)定的地塊，對(duì)于高原、特別是祁連山向北的擴(kuò)展主要起到阻擋作用(見圖3，白色箭頭代表塊體運(yùn)動(dòng)方向，黑色代表應(yīng)力分解過(guò)程)，在強(qiáng)震孕育過(guò)程中起到重要的作用。圖3中示意的應(yīng)力分解模型代表了該俯沖動(dòng)力學(xué)過(guò)程。

圖3 青藏高原東北緣巖石圈結(jié)構(gòu)概念模型Fig.3 Conceptual model of lithospheric structure in northeastern margin of the Tibet Plateau

印度板塊以及阿拉善塊體持續(xù)性向青藏高原之下俯沖(撓曲)，是高原北緣地殼增厚縮短及高原持續(xù)向北地推擠的主要原因，也是青藏高原東北緣各邊界斷裂與次級(jí)斷裂發(fā)生向北(或北東)逆沖推覆的原動(dòng)力。高原東北緣兩條控邊斷裂，阿爾金斷裂與海原-祁連山斷裂在東北緣主壓應(yīng)力作用下均存在向北的推擠作用。與此次門源6.4級(jí)地震密切相關(guān)的海原-祁連山斷裂，對(duì)其上盤進(jìn)行磷灰石裂變徑跡年代學(xué)測(cè)試及橫跨斷裂的地震剖面分析認(rèn)為，海原斷裂自晚新生代以來(lái)經(jīng)歷先逆沖、后走滑的兩階段變形過(guò)程，造成海原-祁連山斷裂在垂直截面的“正花狀構(gòu)造”特征[38-41]，這一過(guò)程被高原東北緣盆地沉積物“忠實(shí)”記錄[23-24]；深部地球物理數(shù)據(jù)同樣揭示海原斷裂有向北推擠的現(xiàn)象，并觸發(fā)了河西走廊最北側(cè)龍首山斷裂上的1954年7級(jí)山丹地震[2]。

綜合震區(qū)活動(dòng)構(gòu)造圖像與變形模式、盆地底層與沉積物變化、深部地球物理探測(cè)、GPS速度場(chǎng)變化將此次地震鄰區(qū)主要斷裂在地下的接觸關(guān)系表示于圖4中(其中的剖面分布位置見圖1)。從圖中看出，在高原東北緣以NE向?yàn)橹鲏簯?yīng)力的情況下，海原-祁連山斷裂除了繼承、吸收巖橋內(nèi)部次級(jí)斷裂的走滑分量外，在柴達(dá)木-祁連順時(shí)針旋轉(zhuǎn)及向SE方向擠出的過(guò)程中，向北推擠并發(fā)育一系列與其走向大致平行、由南向北依次推覆的鏟式逆斷層帶，其中民樂(lè)-大馬營(yíng)斷裂、皇城-雙塔斷裂及武威盆地南緣斷裂構(gòu)造變形的動(dòng)力，主要來(lái)源于海原-祁連山斷裂第四紀(jì)以來(lái)向北的擴(kuò)展與推擠，這也印證了在本次門源震中以西的香山-天景山斷裂帶的變形過(guò)程[49]。此次海原-祁連山斷裂帶上門源6.4級(jí)地震的發(fā)育，正是高原東北緣目前強(qiáng)烈活動(dòng)正在向北擠壓擴(kuò)展的證明。

圖4 橫穿祁連山東段的構(gòu)造變形剖面Fig.4 Structural deformation profile across the Eastern Qilian Mountains

6 結(jié)論

受兩條邊界走滑斷裂所控制的祁連山地區(qū)是青藏高原東北緣的重要組成部分，高原持續(xù)性的向北擠壓擴(kuò)展以及位于兩條邊界左旋走滑斷裂右階巖橋區(qū)的特殊位置，使得該地區(qū)強(qiáng)震多發(fā)。2016年1月21日Ms6.4地震同樣發(fā)生在海原-祁連山斷裂附近。區(qū)域構(gòu)造變形的幾何圖像以及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析發(fā)現(xiàn)，柴達(dá)木-祁連活動(dòng)地塊順時(shí)針旋轉(zhuǎn)以及向SSE方向的擠出，是震區(qū)構(gòu)造應(yīng)力集中的力學(xué)環(huán)境，而海原-祁連山地塊向北擠壓以及阿拉善塊體阻擋作用，是門源及其鄰區(qū)強(qiáng)震多發(fā)的主要原動(dòng)力。同時(shí)，此次門源地震的發(fā)生也證明了海原-祁連山斷裂帶強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，以及高原東北緣持續(xù)性地向北推擠、擴(kuò)展的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程。